HVDC供电技术及其应用前景分析.doc

HVDC供电技术及其应用前景分析【摘要】hvdc(高压直流)相比ups电源具有巨大的优势，其与ups 电源相比，具有高可靠性、高负载率及便于操作性等优点，在解决了后端设备的高压供电标准化后，hvdc供电技术将会大规模商用关键字】hvdc；技术；前景近年来，随着通信技术的ip化，idc机房不断扩大，it设备得到了大量的应用，作为其主要供电方式的ups电源也在通信机房中大量应用但ups固有的特点，决定了其具有可靠性差、转换效率低、输入电流谐波大等一系列缺点，大型ups系统故障造成的通信阻断频繁发生，造成重大的经济损失和社会影响在此背景下，采用hvdc替代ups供电的呼声越来越高，部分省市运营商已经在小规模商用试点，主流设备厂家已经在推出hvdc供电电源1 hvdc供电技术的优点hvdc就是直流采用高压直流电源（区别于常用的-48v）直接对采用220v交流输入电源的设备供电，采用该技术后，电源系统将具有直流电源系统本身的天然优点，如下所述1.1 技术方面1.1.1 可靠性大幅提升hvdc供电技术引入的主要目的就在于提升系统的安全性。

ups系统本身仅并联主机具有冗余备份，系统组件之间更多地是串联关系，其可用性是各部分组件可靠性的连乘结果，总体可靠性低于单个组件的可靠性反观直流系统，系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，不可靠性是各组件连乘结果，总体可靠性高于单个组件的可靠性理论计算和运行实践都表明，直流系统的可靠性要远远高于ups系统，一个例证就是大型直流系统瘫痪的事故基本没有1.1.2 大大节约能耗目前大量使用的ups主机均为双变换型，在负载率大于50％时，其转换效率与开关电源相近但一个不容忽视的现实是，为了保证ups系统的可靠性，ups主机均采用n＋1（n＝1、2、3）方式运行，加之受后端负载输入的谐波和波峰因数的影响，ups主机并不能满足运行，通常ups单机的设计最大稳定运行负载率仅为35～53％而受后端设备虚提功耗和业务发展的影响，很多ups系统通常在寿命中后期才能达到设计负载率，甚至根本不能达到设计负载率，ups主机单机长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为80％多，甚至更低对于直流电源系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，由监控模块、监控系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水平。

1.1.3 输入参数大大改善现场测试发现，目前常用的12脉冲双变换型ups主机，加装11次滤波器后，其输入功率因数通常在0.8～0.9，最大仅为0.95，输入电流谐波含量通常在7.5％左右与此对应，由于pfc电路的应用，额定工况下，开关整流器模块的输入功率因数通常都在0.99以上，输入电流谐波含量通常在5％以下输入参数的改善的直接效果是，前端设备的容量可以大大降低，前端低压配电柜可以不再配置电抗器，从而也可以降低补偿电容的耐压要求1.1.4 带载能力大大提高ups系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大型ups厂商的某型主机为例，在输出功率因数为0.5（容性）时，其最大允许负载率仅为50％；二是负载的电流峰值系数，通常ups主机的设计波峰因数为3，如果负载的电流峰值系数大于3，则ups主机将降容使用对于直流系统而言，不存在功率因数的问题因其并联了内阻极低的大容量蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其负载高电流峰值系数的负荷能力很强，不需专门考虑安全富余容量1.1.5 割接改造更为方便对于采用ups供电的设备来说，除非其采用双电源（或四电源、六电源），或专门配置有sts设备，否则通常只能采用停电方式割接。

对于重要系统来说，这是难以忍受的，更为麻烦的是，一些没有厂家支撑的老型设备，很有可能在停机不能重启的现象直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起，从而实现不停电割接，而这是非常容易做到的1.2 建设投资电源系统投资包括ups电源（hvdc）、前端电源（市电、油机）、机房三个部分以某运营商最近完工的一个机房为例进行对比分析，该机房同层布置4套400kva 1+1 ups系统，采用hvdc供电，需5×4套50kw系统1.2.1 ups电源（hvdc）部分：采用ups方案每套系统的投资大约为250万元，采用hvdc供电时5套直流系统投资越160万元直流系统投资仅是ups方案的2/3，究其原因，主要是没有ups柜，并且其仅与交流整流输入电缆，没有旁路回路电缆1.2.2 前端电源部分：粗略测算，采用hvdc方案，市电和油机供电系统约可减少20～25％1.2.3 机房：采用ups方案和hvdc供电方案，所需占用的机房面积基本相同，但是采用hvdc供电方案时，开关电源安装区域机房荷载要求大大低于ups机房，粗略测算，机房土建成本约降低10％左右对以上投资加权后，采用hvdc供电方案总投资降低约30％。

需要说明的是，采用hvdc供电方案，不仅电源系统可分期建设，系统的电源模块也可根据需要分期建设，考虑投资折现率后，hvdc供电方案的投资节约率将更加明显1.3 运维成本运维成本主要包括电费成本和维修成本，由于转换效率的提高，hvdc供电将大大节约电费成本在维修成本方面，hvdc供电采用的整流模块化结构，现场替换非常方便，模块除厂家外，一些通信支撑企业也可维修，维修价格在一定程度上可由市场决定2 hvdc技术应用前景分析虽然hvdc供电技术具有很多优点，但电源技术的大规模商用是一个系统工程，涉及到后端用电设备、技术标准、产业链保障等方面，只有这些方面同时具有可行性，hvdc供电技术才可能得以大规模应用2.1 hvdc技术应用现状目前对hvdc供电的应用，总体情况是电信运营商非常热心，热切希望大规模hvdc供电，与电源系统厂商一起进行了大量了理论研究，国内业界已就包括hvdc供电电压、接地方式等关键问题达成了共识，hvdc供电已在部分本地网进行了试点与之形成鲜明对比的是，到目前为止，后端it设备还没有针对hvdc供电的电源技术标准，也没有大型it厂商宣布支持后端设备hvdc供电hvdc供电有多种电压可供选择，因为缺乏后端设备厂商的响应，国内hvdc供电的思路均是基于不对后端用电设备进行改造，供电电压的选择就必须保证在电源系统各种运行模式下，后端设备均可正常工作，目前国内业界对hvdc供电的标称电压已达成共识，即选用240v电压等级。

2.2 制约hvdc技术大规模应用的主要因素2.2.1 后端设备的适应性从目前运营商的试点情况来看，尽管采用单相ups电源供电的后端设备绝大多数都支持hvdc供电，hvdc供电基本可保障后端设备的运行但hvdc供电毕竟不是后端设备的电源标准，采用hvdc供电实质上是改变了设备电源的标称运行环境，因而对电信运营商而言存在较多的风险：2.2.2 电源系统的定型与量产hvdc供电还没有相应的技术标准，仅有工信部近期拟推出通信标准类技术报告《通信用240v直流供电系统技术要求》，对hvdc供电技术进行引导因缺乏技术标准和大规模商用实践的支撑，目前国内电源厂商的hvdc供电产品设备还没有定型，更谈不上量产，都是通过订单定制方式生产定制生产带来的问题：（1）电源设备系统的不能做到标准化，设备和器件的互换性较差2）订单式生产，厂家不能根据市场预测预先生产设备，设备交货周期较长3）设备的价格不能有效降低2.2.3 配套器件hvdc供电涉及的元器件中，整流器模块所需的功率电子器件、电容、变压器等器件较为通用，供应不存在任何问题，但熔断器、断路器等配电保护元件就较为匮乏hvdc供电系统日常运行电压（浮充电压）即已达到270v，普通熔断器均为交流熔断器，已不能支持这一电压等级，只能选用专用的直流熔断器，但目前直流熔熔断器生产厂家很少，市面上也难以见到。

2.2.4 监控系统如要大规模商用，hvdc电源系统必须纳入动力环境监控系统，开关电源系统的监控与－48v直流电源相同，没有任何困难，但配套电池组目前还没有厂家可以提供专用的240v电池组监控单元和配套的软件子系统2.3 hvdc技术应用的推进制约hvdc供电技术大规模应用的因素也许还有很多，根本的原因还在于没有后端设备hvdc供电的标准化鉴于后端设备，尤其是it设备，绝大部分的应用还在于社会的其他行业，仅仅依靠通信行业的力量难以有效推动电源标准的改进的应该积极推动全社会对hvdc供电的认知，进而产生体现国家意志的法律、政府规章和技术标准，推动使用hvdc供电的it设备的大规模生产和应用在后端设备具备hvdc供电的条件，并大规模商用后，电源系统的标准化将迎刃而解，市场这只无形的手将推动前端电源零部件及整机厂商全力进行研发和生产，现阶段前端电源系统存在的种种制约将不复存在3 hvdc供电技术应用的影响根据《通信用240v直流供电系统技术要求》和运营商试点经验来看，hvdc系统是小电流系统，例如某运营商推荐每套系统的最大输出功率为50kw，较之大型ups系统每套系统数百kw的容量，hvdc系统显然属于小系统，其部署将更加灵活，供电体制既可集中供电，又可分散供电，但从节约资源和投资出发，还是宜采用分散供电，这就对传统机房电源、设备截然分开的格局形成了巨大的冲击，在新建机房时就需按照电源、设备混合布置的需要考虑机房的荷载、走线通道、制冷量等因素，在设备的监控和现场维护上也需打破传统的专业界限，实行综合管理。

hvdc供电技术节能、可靠，较之传统的ups电源具有巨大的优点，在解决了后端设备的适应性后，hvdc供电技术必将得到大规模的应用参考文献：[1]中国电信数据中心机房电源、空调环境验收规范(暂行).作者简介：胡涛（1982年9月 ），男，籍贯：云南省丽江，工作单位：浙江省邮电工程建设有限公司（310020），职务：四级业务经理、职称：助理工程师，研究方向：设备环境。